王軍
崤山隧道異常水平變形段支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討
王軍
(中鐵十六局集團(tuán)西藏工程有限公司,西藏 拉薩 850000)
在雙洞雙線深埋崤山特長(zhǎng)鐵路隧道施工中,部分區(qū)段出現(xiàn)水平收斂變形過大而引起初支邊墻發(fā)生大范圍開裂和嚴(yán)重鼓出,直接影響隧道施工安全和隧道結(jié)構(gòu)承載力。采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬方法,在重點(diǎn)探討隧道異常水平變形原因基礎(chǔ)上,開展優(yōu)化初支邊墻曲率、厚度及增設(shè)錨桿等措施對(duì)控制初支水平變形效果的參數(shù)分析,總結(jié)不同措施下初支變形規(guī)律,進(jìn)而提出支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù),工程應(yīng)用驗(yàn)證了優(yōu)化措施控制變形的效果。研究結(jié)果表明:隧道初支異常水平變形及邊墻開裂的主因是該區(qū)段水平圍巖壓力較大,而馬蹄形斷面型式和原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)條件下初支無法有效抵抗較大水平側(cè)壓力;通過增大邊墻曲率可改善初支受力狀態(tài),進(jìn)而有效約束水平變形;增加初支厚度和增設(shè)錨桿措施也可減小收斂變形,但效能有限。研究成果可為后續(xù)區(qū)段的設(shè)計(jì)施工提供參考,也可為類似工程所借鑒。
鐵路隧道;異常水平變形;支護(hù)結(jié)構(gòu);參數(shù)優(yōu)化
隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展,鐵路隧道建設(shè)已取得巨大成果,預(yù)計(jì)到2020年底投入運(yùn)營的隧道將達(dá)2×104km/17 000座。在隧道工程建設(shè)中,隧道異常變形時(shí)有發(fā)生,該問題已成為隧道工程界關(guān)注和力圖系統(tǒng)解決的焦點(diǎn)及難點(diǎn)之 一[1?2]。隧道變形通常與圍巖條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及施工工法相關(guān),對(duì)異常變形開展深入研究,有助于建設(shè)中及時(shí)采取針對(duì)性優(yōu)化控制措施,從而改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力,抑制不可接受的、有害變形的發(fā)生和發(fā)展。高地應(yīng)力環(huán)境下隧道極易發(fā)生大變形,已引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注[3?5]。曾超[6]對(duì)廈門東通道海底隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)異常變形進(jìn)行分析,制定了抑制異常變形的工程對(duì)策;劉陽等[7]對(duì)高地應(yīng)力下蘭渝鐵路木寨嶺隧道碳質(zhì)板巖發(fā)生明顯大變形和局部破壞機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié);張連成等[8]對(duì)郭家川隧道大變形的特性及機(jī)理進(jìn)行全面分析,提出以柔克剛,以剛克柔,軟巖硬進(jìn),硬巖軟進(jìn)的支護(hù)原則;帥建兵等[9?10]對(duì)老東山隧道、青山?jīng)_隧道軟巖變形特征進(jìn)行研究,提出應(yīng)對(duì)軟巖變形的控制措施。HUANG等[11]分析了大斷面軟巖隧道徑向注漿控制變形效果。王春景等[12]分析并總結(jié)了隧道結(jié)構(gòu)常見病害類型及安全性評(píng)價(jià)方法。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明,影響隧道圍巖大變形的因素較多,具較強(qiáng)的個(gè)案性特點(diǎn),實(shí)際工程中不宜直接照搬類似工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù),需采取針對(duì)性變形控制措施。為此,結(jié)合崤山隧道異常水平變形工程案例,采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬等方法,探討隧道初支水平變形過大的主因,通過不同技術(shù)方案下的參數(shù)分析,提出支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù),并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果 試驗(yàn)。
崤山隧道為設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h的雙洞雙線深埋鐵路單線隧道,最大埋深約750 m,隧道穿越區(qū)域工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復(fù)雜,設(shè)計(jì)斷面為馬蹄形。其中,左線ZDK702+930~+880段埋深約350 m,原設(shè)計(jì)為下元古界熊耳群下段許山組(Pt1x1?1)安山巖、安山斑巖,多屬極硬巖,節(jié)理較發(fā)育,地下水為基巖裂隙水,設(shè)計(jì)研判圍巖為Ⅲ級(jí)。
先期開挖支護(hù)按Ⅲ級(jí)圍巖施做,初支由格柵鋼架H130(拱墻@1.2 m,仰拱@2.4 m)+鋼筋網(wǎng)Φ6@ 20×20 cm+18 cm厚C25噴射混凝土構(gòu)成,按兩臺(tái)階法組織施工。
2017?08?16ZDK702+930~+880段左右側(cè)上、中臺(tái)階連接處初支噴混凝土出現(xiàn)裂縫、鼓出現(xiàn)象,并存在持續(xù)發(fā)展趨勢(shì),通過加強(qiáng)變形觀測(cè)發(fā)現(xiàn)左、右側(cè)邊墻鼓出變形分別達(dá)到0.3~0.8 m和0.3~0.6 m。2017?09?11,YDK702+965~+940段左右邊墻上、中臺(tái)階連接處初支表面也出現(xiàn)剝離、鼓包現(xiàn)象。
施工過程中,開挖揭示自YDK702+943和ZDK702+930起始,隧道進(jìn)入斷層和物探推測(cè)侵入體交疊地帶,巖性為安山巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,但地下水不發(fā)育,掌子面自穩(wěn)能力極差,開挖后極易掉塊?,F(xiàn)場(chǎng)采取封閉掌子面并反壓回填至起拱線以上,拱墻增設(shè)注漿錨管加固并設(shè)置臨時(shí)仰拱等加固處治措施,同時(shí)會(huì)同設(shè)計(jì)單位對(duì)后續(xù)類似圍巖段落進(jìn)行設(shè)計(jì)變更,以期控制隧道變形。
深入探求其變形機(jī)理、研究確切的支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案已成為該隧有序建設(shè)的必然需求。為此,參建單位于2017年8月依程序啟動(dòng)了相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)等研究工作。
隧道斷面和支護(hù)設(shè)計(jì)見圖1。斷面(跨度) ×(洞高)=6.6 m×8.5 m,其中,1,2,3和4分別為220,360,864和360 cm。邊墻部位矢跨比0.03,曲率較小。斷面整體“瘦高”特征顯著,對(duì)水平方向圍巖壓力的抵抗能力相對(duì)低下,表現(xiàn)為當(dāng)水平側(cè)壓力小幅值增加時(shí)變形急劇增大,是該隧道初支鼓出變形的結(jié)構(gòu)原因之一。
圖1 隧道支護(hù)斷面圖
為了探討支護(hù)結(jié)構(gòu)異常變形原因,本節(jié)基于隧道變形理想彈塑性理論,分析影響隧道變形的主控因素。
據(jù)圓形洞室均質(zhì)地層洞壁位移的經(jīng)典理論公式[13]:
另據(jù)巖體力學(xué)理論,側(cè)壓力系數(shù)與泊松比之間的關(guān)系為:
將式(3)代入式(1),可得圓形洞室均質(zhì)地層洞壁位移修正公式:
據(jù)式(4)可進(jìn)一步定性分析隧道洞壁位移與黏聚力、摩擦角、變形模量及側(cè)壓力系數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。按圖1隧道斷面及所處地質(zhì)條件,可得隧道等效為圓形洞室的洞徑0=4.6 m,埋深=350 m,初始地應(yīng)力0=6.3 MPa,支護(hù)抗力p=0.5 MPa。據(jù)式(4)可繪制隧道洞壁位移與各影響因素的關(guān)系曲線,如圖2。
分析發(fā)現(xiàn),隧道洞壁位移與黏聚力、摩擦角、變形模量之間的規(guī)律類似,均呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。而與側(cè)壓力系數(shù)則成非線性正相關(guān)關(guān)系。側(cè)向壓力系數(shù)對(duì)隧道洞壁水平位移存在較大影響,需要重點(diǎn)關(guān)注。特別是當(dāng)隧道所處特定地層區(qū)段的圍巖力學(xué)參數(shù)基本相同時(shí),隧道洞壁位移將主要受控于側(cè)向壓力系數(shù)值的大小。限于篇幅,圖2僅列出了洞壁位移隨變形模量、側(cè)壓力系數(shù)的變化曲線。
(a) 變形模量;(b) 側(cè)壓力系數(shù)
為分析提高支護(hù)抗力對(duì)控制變形的效果,基于2.2節(jié)相同參數(shù)分析,由式(4)繪制如圖3所示的隧道洞壁位移與隧道支護(hù)抗力p之間的關(guān)系曲線。
圖3 支護(hù)抗力與隧道洞壁位移的關(guān)系曲線
由圖3可知,隨支護(hù)抗力的增大,隧道洞壁水平位移隨之減小,但當(dāng)支護(hù)抗力增大至某一量值(如圖中0.5 MPa)后,洞壁水平位移曲線趨于平緩。該趨勢(shì)表明,當(dāng)支護(hù)抗力不足時(shí),隧道將發(fā)生較大收斂變形,通過提高支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度可有效控制隧道變形,但一味提高支護(hù)剛度的措施是不經(jīng)濟(jì)也是不科學(xué)的。
據(jù)工程實(shí)際,為了進(jìn)一步分析支護(hù)結(jié)構(gòu)異常變形原因,選擇典型斷面在拱架連接板處布設(shè)水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)隧道水平收斂;同時(shí)于拱頂及拱腳兩側(cè)埋置土壓力盒,監(jiān)測(cè)圍巖壓力。該段采用短臺(tái)階法開挖,初支及時(shí)閉合,距掌子面步距約15 m。典型監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4~6。
圖4 水平收斂時(shí)程曲線
圖5 圍巖壓力時(shí)程曲線
圖6 圍巖壓力分布圖
據(jù)圖4可知,初支收斂變形速率較快,8月9日施工后初支變形迅速發(fā)展,14日開始出現(xiàn)明顯的變形反彎點(diǎn),預(yù)示初支處于不穩(wěn)定性狀態(tài),至16日累計(jì)值達(dá)155 mm,遠(yuǎn)超55 mm的變形控制標(biāo)準(zhǔn),隨后初支發(fā)生開裂與鼓出等破壞現(xiàn)象。
由圖5和圖6可知,圍巖壓力的變化與水平收斂具有較強(qiáng)的一致性,整個(gè)過程中未呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。兩側(cè)拱腳圍巖壓力分別為258 kPa和239 kPa,大于拱頂部位(206 kPa),兩者比值最大值達(dá)到1.25,說明該段水平圍巖壓力大于豎向壓力。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn),初支開裂與鼓出主要發(fā)生在格柵鋼架上下臺(tái)階單元分界處,排除現(xiàn)場(chǎng)鋼架節(jié)點(diǎn)安裝偏差與連接剛度的不利影響外,異常水平變形區(qū)段客觀存賦較大側(cè)向圍巖壓力。
綜上分析,DK702+930~+880段隧道初支異常水平變形及邊墻開裂,與隧道馬蹄形斷面的“瘦高”特征、支護(hù)抗力不足有關(guān),而主因是該區(qū)段圍巖水平圍巖壓力較大,原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)條件下初支剛度偏弱而無法有效抵抗較大水平變形。
針對(duì)上節(jié)初支異常水平變形的主因認(rèn)識(shí),基于該隧現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和不停頓建設(shè)的現(xiàn)實(shí)訴求,為了提高初支大變形整治措施的有效性,結(jié)合后類似工程案例,本節(jié)采用數(shù)值模擬方法重點(diǎn)分析并探討初支邊墻曲率、支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度及設(shè)置錨桿等措施控制初支變形效果,以求對(duì)該隧建設(shè)提供有益的、具有針對(duì)性和可實(shí)施的技術(shù)支持。
3.1.1 模型建立
該隧左右線凈間距25 m,地質(zhì)同一性縱向里程相差18 m,即YDK702+980對(duì)應(yīng)DK702+962。DK702+930~+880段出現(xiàn)異常變形時(shí),兩線開挖工作面分別為DK702+876,YDK702+952,相距76 m,可排除近接施工影響,故建立模型僅考慮單洞。取DK702+890斷面作為典型斷面,采用二維地層—結(jié)構(gòu)模型,計(jì)算模型(見圖7)水平與豎直方向兩側(cè)取隧道寬、高的4~5倍,頂部施加5.4 MPa上部等效均布荷載,圍巖采用M-C彈塑性模型,初支選用彈性模型,錨桿采用Cable單元,臺(tái)階法開挖。
(a) 整體模型;(b) 局部模型
3.1.2 計(jì)算參數(shù)選取
施工揭示圍巖為Vc級(jí)圍巖,初支使用C25噴射混凝土,結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]選取計(jì)算參數(shù),見表1和表2。
按不同邊墻矢跨比確定表3所示7種曲率分析工況,以考察初支水平收斂變形量值。
表1 圍巖與初支參數(shù)表
表2 錨桿參數(shù)表
表3 邊墻曲率參數(shù)分析工況
計(jì)算結(jié)果表明:
1) 圖8中工況1為隧道實(shí)際邊墻矢跨比下的計(jì)算結(jié)果,顯示最大水平變形發(fā)生在上下臺(tái)階分界處,與實(shí)際開裂鼓出部位相同,且實(shí)測(cè)變形量相較計(jì)算變形值僅差8.7%,吻合度較高,反證了模型、本構(gòu)及參數(shù)選擇的正確性和可信度??傮w看來,計(jì)算變形規(guī)律與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。
2) 據(jù)圖8和圖9可知,隨邊墻矢跨比的增加,水平收斂變形首先逐步減小,當(dāng)矢跨比為0.17時(shí),水平收斂達(dá)到最小值111.3 mm,比原曲率工況下減小約21%,但隨矢跨比進(jìn)一步增加水平收斂呈反向增大趨勢(shì)。分析結(jié)果表明增大邊墻曲率可較顯著改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性狀,有效抑制隧道水平變形,建議將邊墻矢跨比調(diào)整為0.14~0.17。
(a) 工況1;(b) 工況7
圖9 水平收斂隨矢跨比變化曲線
按原設(shè)計(jì)圖隧道邊墻矢跨比取0.03,設(shè)置如表4所示6種初支厚度進(jìn)行對(duì)比分析。
表4 初支厚度工況分析表
分析結(jié)果見圖10~11。
1) 在既定邊墻矢跨比0.03時(shí),增加初支厚度可在一定程度上減小水平變形量。初支厚度由18 cm增至40 cm時(shí),相應(yīng)水平收斂變形由141.3 mm減小至119.1 mm,僅減小約16%。
2) 當(dāng)初支噴混凝土厚度增加至30 cm時(shí),繼續(xù)增加厚度對(duì)控制隧道變形效果不理想,故綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性,建議噴射混凝土厚度宜設(shè)置為25~30 cm。
(a) 工況A;(b) 工況F
圖11 水平收斂變形隨初支厚度變化曲線
錨桿是常用隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)措施之一。針對(duì)崤山隧道邊墻異常變形病害,保持?jǐn)嗝嫘问脚c原設(shè)計(jì)圖相同(矢跨比取0.03),按表5所示的5種工況改變邊墻部位無預(yù)應(yīng)力錨桿參數(shù)進(jìn)行分析探討。為比較錨桿控制變形的效果,同時(shí)增加了未設(shè)置錨桿分析工況。
表6為不同工況下初支水平收斂最大值。由表中數(shù)據(jù)可知,錨桿作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,可不同程度地改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),提高圍巖承載能力,同時(shí)具有提高圍巖力學(xué)參數(shù)的物理作用。錨桿間距1 m,長(zhǎng)5 m工況(見圖12),初支水平收斂127.9 mm,較未設(shè)置錨桿時(shí)減小約9%。結(jié)果表明,在邊墻部位設(shè)置錨桿具有加固圍巖和改善結(jié)構(gòu)受力的作用,可一定程度上控制水平變形,但控制變形效果不顯著。
表5 錨桿工況設(shè)置表
圖12 錨桿加固下支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移圖
表6 不同工況下初支水平收斂
綜合改變邊墻曲率、增加初支厚度及增設(shè)邊墻錨桿等措施的單一性參數(shù)分析結(jié)果,本節(jié)進(jìn)一步考察3種優(yōu)化措施共同作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和水平變形的改善效果。分析工況為設(shè)置隧道邊墻曲率0.17,初支厚度30 cm,并在邊墻部位設(shè)置間距1 m,長(zhǎng)度5 m錨桿。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),采用優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)后隧道水平收斂91.4 mm,較原設(shè)計(jì)減小約35%,而單獨(dú)調(diào)整邊墻曲率、增加初支厚度、增設(shè)邊墻錨桿的效能依次為21%,16%和9%。表明同時(shí)采用3種措施的綜合優(yōu)化方案比任何單項(xiàng)措施可更有效改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),達(dá)到控制隧道水平異常變形的效果。
隧道出現(xiàn)水平異常變形及初支開裂鼓出等現(xiàn)象后,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施反壓回填、補(bǔ)強(qiáng)加固等處理措施后,基于前述分析結(jié)果,針對(duì)后續(xù)DK702+930~+880段及其余地質(zhì)條件相同段落進(jìn)行如下設(shè)計(jì)變更。
1) 變更優(yōu)化隧道斷面(見圖13),1,2,3和4分別調(diào)整為315,415,750和420 cm,將邊墻曲率矢跨比由0.03變更至0.08。
圖13 優(yōu)化隧道支護(hù)斷面圖
2) 初支厚度由18 cm增至30 cm,拱墻H130格柵鋼架變更為全環(huán)H230格柵鋼架,拱墻部位設(shè)置Φ8 mm鋼筋網(wǎng)、超前支護(hù)Φ50 mm超前小導(dǎo)管,環(huán)向間距由40 cm縮小至30 cm。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及跟蹤觀察表明,在DK702+880后續(xù)相同圍巖條件段落的隧道施工中采用變更后的支護(hù)參數(shù),且未施作襯砌前,支護(hù)結(jié)構(gòu)均未再次發(fā)生開裂、鼓出等破壞現(xiàn)象。其中,DK702+865斷面水平收斂變形歷時(shí)曲線見圖14。
圖14 初支水平收斂時(shí)程曲線
據(jù)圖14可知,隧道開挖后水平收斂基本呈線性增大,約1個(gè)月后趨于平緩,并穩(wěn)定在30 mm左右,說明變更設(shè)計(jì)參數(shù)切實(shí)改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力,有效抑制了隧道異常水平變形。
從水平收斂穩(wěn)定時(shí)間來看,變更后的設(shè)計(jì)參數(shù)基本達(dá)到了確保支護(hù)?圍巖體系穩(wěn)定性的需求,但水平收斂持續(xù)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng),在施作初支約1個(gè)月后才趨于穩(wěn)定,說明在水平圍巖壓力較大的圍巖地段變更后的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式仍存在不足。據(jù)第3節(jié)分析結(jié)果,可進(jìn)一步優(yōu)化邊墻矢跨比至0.14~0.17,邊墻增設(shè)錨桿,從而獲得更好的變形控制效果。
1) 理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖壓力表明,崤山隧道水平異常變形的主因是原設(shè)計(jì)“瘦高”馬蹄形斷面形式不足以抵抗斷層和侵入體交疊地帶破碎圍巖較大的水平方向荷載所致。
2) 調(diào)增隧道初支邊墻曲率可改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),有效抑制水平方向的異常變形,當(dāng)邊墻矢跨比為0.14~0.17時(shí),對(duì)水平變形的控制效果較好,變形量較原曲率減小約21%。
3) 增加初支噴射混凝土厚度和邊墻設(shè)置錨桿也可減小隧道變形,水平變形分別減小約16%和9%。但其單獨(dú)抑制變形效能有限,有必要結(jié)合提高邊墻曲率等措施以達(dá)到控制變形的預(yù)期效果。
4) 采用改善邊墻曲率、增加初支厚度和加強(qiáng)格柵鋼架等綜合措施的設(shè)計(jì)變更可在一定程度上抑制水平異常變形,但后續(xù)類似地質(zhì)段落仍可進(jìn)一步優(yōu)化以取得更佳效果。
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(編輯 陽麗霞)
Optimization discussion of support structure for abnormal horizontal deformation section of Xiaoshan tunnel
WANG Jun
(China Railway 16th Bureau Group Tibet Engineering Co., Ltd, Lhasa 850000, China)
In the construction of Xiaoshan extra-long tunnel, the oversize of horizontal convergences leads to primary support damage such as crack and swelling and bring hidden troubles to tunnel structure and construction. This paper mainly analyzed the reason of abnormal horizontal deformation, and discussed the support structure optimization on the aspects of side wall curvature, thickness of primary support and setting anchors by methods of numerical simulation and monitoring measurement. The result shows that the main reason for the abnormal horizontal deformation is that the horizontal lateral pressure in the corresponding section is larger, while the original thin section type and the weak support parameters are not compatible with the larger horizontal lateral pressure. The increase of the side wall curvature could improve the stress states of the support structure and effectively control the abnormal horizontal deformation. Increasing the thickness of structure and setting anchor can also reduce the deformation, but the efficiency of restraining the deformation is limited. The measure of increasing the side wall curvature is the necessary and effective way to restrain the abnormal horizontal deformation. In order to cope with the abnormal deformation problem, the design alteration adopted in thecorresponding section of Xiaoshan tunnel has certain effect, but it can be further optimized. The research results in this paper can provide reference for the design and construction of subsequent sections, and can also be used for reference by similar engineering.
railway tunnel; abnormal horizontal deformation; support structure; parameter optimization
10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.12.024
TU921
A
1672 ? 7029(2018)12 ? 3198 ? 10
2018?06?19
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378505)
王軍(1972?),男,安徽懷遠(yuǎn)人,高級(jí)工程師,從事鐵路、軌道交通、公路、水利等行業(yè)的隧道與地下工程的技術(shù)和施工管理工作;E?mail:wangjun197205@163.com